（材料加工工程专业论文）半固态az91d镁合金流变铸轧成形技术研究.pdf

摘要 摘要 诞生于2 0 世纪7 0 年代的半固态成形技术( s 锄i i i dm e t a i 南n i i i n g ，简称 s s m ) 是一种近终成形新技术，由于它具有成形零件致密、力学性能良好、机械 加工量少、模具寿命长、可制造复杂结构件、环保、节能、高效等独特的优点， 愈来愈受到世界各国的重视，被认为是2 l 世纪最具有发展潜力的金属成形技术 之一。 镁合金具有密度小、比强度高、刚度高、阻尼性能好以及电磁屏蔽等优点， 近年来成为汽车和电子行业的重要轻质材料，而实际应用的镁合金部件大多是 压铸件3 c ( c o m l ) m c o 衄吼i c a t i ，c o 璐岫p t i ) 产品中所广泛使用的薄 壁壳体类零件以及用于汽车工业中的高性能镁合金零部件，对产品成形工艺的 要求也越来越高了，压铸已经不能满足综合性能好的要求了。半固态金属成形 技术具有非常广阔的发展前景。目前对镁合金半固态流变成形工艺及半固态镁 合金组织与性能的研究较少 本文采用自行研制开发的半固态镁合金流变铸轧设备，研究了a z 9 1 d 镁合 金的半固态铸轧成形过程。分别采用机械搅拌法制浆和斜槽法制浆两种方法制 浆，得到具有近似球形的非枝品半固态镁合金组织，半固态镁合金浆料具有良 好的流动性，进行流变铸轧后得到半固态镁合金流变铸轧板带，取样观察板带 显微金相组织，并测试了相关性能；采用有限元分析方法，对半固态镁合金流 交铸轧的制浆和铸轧过程分别迸行了数值模拟，并且与工艺试验进行了对比； 在数值模拟和工艺试验的基础上，利用正交设计对半固态镁合金流变铸轧过程 的工艺参数进行了优化。 本文的研究得到了如下成果： 1 研究了a z 9 1 d 镁合金半固态流变铸轧试验的试验材料、试验装置、试验 过程。试验采用的半固态制浆方法为：机械搅拌法和斜槽法，整套试验设备均 为自行研制开发。试验表明，该试验设备是可以满足试验要求的。 2 通过采用虚拟仪器技术实现半固态镁合金流交铸轧过程的温度采集和 精确控制，对镁合金的半固态流变成形过程的温度进行实时采集以及模糊控制， 试验表明该系统性能可靠，操作方便，并且能够达到较高的控温精度，为该加 工技术的实际应用奠定了基础。 h 摘要 3 通过大量工艺试验，研究了半固态镁合金流变铸轧过程的工艺参数对镁 合金板带组织的影响规律，即搅拌速度、静置时间、浇铸温度对半固态镁合金 板带组织晶粒的大小以及形状的影响，从而确定最优的半固态制浆和铸轧工艺。 4 采用正交分析法得到机械搅拌法和斜槽法的最佳镁合金半固态流变铸 轧的工艺参数，机械搅拌法的最佳工艺参数为：搅拌速度5 0 0 r m i n 、静置时间 l o m i n 、搅拌时间1 5 m i n 、浇铸温度5 6 0 c 。斜槽法的最佳工艺参数为：浇入斜 槽温度6 3 0 c 、斜槽倾角6 0 。、斜槽长度0 。5 7 0 m 、静置时间5 m i n 。 5 铸轧板的加工试验表明：a z 9 l d 和a z 3 l b 半固态镁合金铸轧板带都具有 较大的变形能力( 压下量) 。a z 9 1 d 的最大冷变形量达2 8 ，最大热变形量达 4 7 ，a 2 3 1 b 最大热变形量达5 7 以上。 6 热处理工艺可以改善半固态铸轧镁合金板带组织和性能，热处理工艺在 4 2 0 。c 附近最佳随着温度的升高共晶组织中口一m g 晶粒不断增多，形状不断向 块状变化，夕相含量不断减少，只剩少量、不连续状的夕m g 。7 a l 。相残留在晶界 处，口- m g 过饱和固溶体中重新弥散析出卢相，这种弥敏分布于晶内的，相将 既强化基体。又不限制通过晶界转动诱发二次滑移系君动的形变机制，达到强韧 化的目的；随着温度的升高，初生口一m g 晶粒的显微维氏硬度变化不大，共晶组 织的硬度先随温度的升高而下降，当温度超过4 0 0 c 时，又有所回升。 7 应用有限元分析方法，对镁合金半固态流变铸轧过程的流变制浆和铸轧 两个过程进行数值模拟，系统研究了斜槽法镁合金半固态制浆过程的流场和温 度场的分布，分析了斜槽长度、斜槽浇入温度、斜槽倾角对斜槽内热流的影响。 采用有限元方法对铸轧区的温度场进行数值模拟，由最佳凝固点确定最佳的浇 铸温度，从而得到了相关的最佳斜槽长度、斜槽倾角和浇入斜槽的温度。即斜 槽长度为o 5 7 0 m 、斜槽倾斜角度为6 0 。、浇入斜槽的温度为6 3 0 c 。 关键词：镁合金；半固态；流变铸轧；数值模拟；热处理 i i i a b s n 砌 a b s t r a c t s e m i l i dm 咖ip f o c e s s ( s s m ) 、】l d l i c hw 弱b o mi l l 辩v 锄t y sa t2 0 s t n t u l yi sa n e wn e 甜n 眈s l l a p et c c h n o l o g y a i l di t sd r i pm o l d i n gi sc o m p a c t i o n ，h i g hi n e c h a n i c a l p r o p e r 移；1 牡l em 解l l i l l i l l 岛l o n gm o l l l dl i 危锄d 锄n m k ec 伽叩l e x 啪f i g i l 伯t i o i l e n v i r o 砌e n tp i 小e c t i o n ，e 喀y 啪r v a t i o n ，h i g he 伍c i 锄c y s o ，i ti sm o 锄dm 瓣 招l ni i l t oa c c o u n ti na l lo v e rt h ew o d d ni sc o r 峙i d e r e da st h em o s t 口o t c 瓶a lo n eo f m e t a lf o 肌i n gt t l i 帕l o g yi nl h e2 l s t n t u r y m a 驴e s i 嘲a l l o yh a v em ea d v 蝴o f l i g h t w e i 龇h i g h 硫哪时m t i o ，h i g h s t i 伍螂w e i g h t 础o ，h i g hd a m p i n gp r o p e r i y de l e c t m a 驴e t i s ms h i e l d i n g p r o p e r t ) ，a n d ，嗍yi th 嬲a c t c d 龃i 埘p 0 咖t l ej n 卸咖b i l e 卸d e l 仃i ci n d l l s 灯ya saw e i g h tr e d u c i n gm a t e r i a l b l t h ea p p l i 锄叽o fm 罂他s i 岫 a l l o y sp r o d w 惦伽sm o s ti sd i e s 吐n g d i e c 鹤t i n gh 鹤n o tb e e n 刚s 丘e d 谢也t l l e r e q i l i r co f p f 仪h c t i o n i “g a t i o np i 叩e r t i 鹊，b e c a u t h et h i nw a j l c e s s o r i 嚣i i s e di n t h e3 c ( c 锄p u t e f ，c 咖l 妇6 0 n ，o d n 轴i i l p t i o n ) p r o ( h l c t sa n dt h el l i g h 雕d b n n 锄c e m a 星皿e s i 岫a l l o y 烈d 曙f i 嚣u 辩di nt h e 锄t op f o d t sf e q 州w i m t i l ep i _ o 瞄s i n g t c c l l n i q u 嚣h i g h c r 缸dl l i g h e r t h ep i o c e 豁i n gt e c h i l o g yo f s 眦i 一l i d m e t a lh 觞v e f y w i s td e v e l o p m e mf o m g f o 硼du pt od a 瓴t l l 豇ea 把l d o ms t i l d yo ns 锄i - l i d r b c a s t i i i gp r o c 豁sa n dl h em i c r o 曲加：t i l 舱觚dp i 叩e m 嚣o f 锄i s o l i dm a g n 船i 啪 a l i o y 。 i nt h i sp a p e r ，t l ”p r l d c e 站o fn 坞m i - n da z 9 l d 耐啪l l 啪s c i l l gb yt h e s 谢一i i dm 觚u f k 删n ge q i l i p l n 肌tw h i c hw 私辩i f d e 、，e l o p e dw 器佗龇c i l e d n e 盯 g l o b t l l 盯锄d 咖d e n d r n i cg r a i no f 辩m i l i dm a 驴部i 岫妣t l l w 勰m a d eb yn l e m c t h o d so f m e c h a l l i 锄s 黼n g 锄ds l o p c b c c a u o f m ei l i c en o w 哪i t i 鹤o f t l l e 辩m i l i ds l r y ，r e h o r o n - c 私t i n gw 硒c a r r i e da 矗e rm a d i n g 辩m i l i ds l u r r y t h s c i n i - s 0 l i d 他h o r o l l c a s t i n gm a 弘e s i 眦妯p sw e 佗r e i w i d t h em i c r o 蛐m c t l l 糟锄d t h ep r 0 1 ) c n i 韶w e 诧t c s t e d f 删h c 硼。托，t l l es i l i l l l l a t i o n “p e r i m m t 啪s 谢e do i 琏i n c o m p 咖b yt h ef 越t ee l 伽n tm e t l l o d o nt h en 哪e r i c a la n de x p e r i m e n l 剐b a s e ，t h e t c c h n i c a l 碰哦哪鼬盯w 勰o p t i m i z c db ，1 l l eo r n l o g o n a ld 髓i g n t h e 比s u l t i s ： 1 1 1 l et r i a lm a t i 痢a l ，t r i a le q u i p m t ，仃i a l 严o c e 鼬i n go fa z 9 1 d m i - l i d a b s n 砌 n l a g n e s i n mi _ e h o f o l l c a s t i n gw e 碍托辩a f c h e d t h em e t h o ( 1 so fm a k m gs l u r r y 璐e db y t r i a lw e r em e c h a i l i s ms t i r i n g 觚ds l o p e t h ew h o l et r i a ic q u i p m tw 勰l f 珂e v e l o p e d 1 1 把t r i a le q l l i p m e mw a s 传a s i b l ei n d i c a t c db yt r i a l 2 1 kt e m j e r a 札mc o l l c c t i a n dc o n 血d io na z 9 l ds e r i l i s o l i dm a g n e s i 呦 h o r o l i c a s t i n g w e r ea c 置l i e v e d “av i r t u “i n s 恤埘e mt e c 量l i l o i o g y t h ev j n l l a i i l l ! 她删枷夥咖m 、张sp e r f b 瑚ec 陀d i b i l i 劬w o r kc o n v c n i e n c e ，觚dw 船c 印a b l e o fh i g hp r i s i o f 咖t r o lt e l n p e r 砷鹏1 1 l i s 嚣t a b l i s ht i 圯f o 硼d a t i 傩o fp r a c t i s e a p p l yf o rt h i st e c h n o l o 醪 3 e 丘酗o ft e c l l n i c sp a 舢n 粥o f 鼢n i 啪l i dm a g n e s “蚰托h o r o l l 删嘶n g p l d c e 鹞o nm i c r o 鲫m c t l l 坞v i aag r e a td e a lo ft e s t sw 鹊r e s e a f c h e d t h ee f f 宅c to fs t i r 船坞s t a yt i m 岛m o u l dt e m p e 托t u 陀o nt h es i z e 瓶ds h a p eo f 辩m i i i dm a 驴e s i u m s 扫i p s 吼n l 咖w 铘i n v c s t i g a t e 正o d n s e q u e n t l y ，也eo p t i m 唧t c c 量l l l i c so fm a k i n g s i i l r r ya n d l l o m l l - c 嬲t i n gw 鹋c o l l i 洳n 4 t h eo l ，t i i i l 哪弘嘲e t e 培o f m e c h 孤i 锄吼i r i n gm e 重h o da l l ds l o p em e t l l o d w e 他o l 切l i n e db y0 n h o g ( 删m e t h o d t h eo p t i m 哪p 芒删t c 硌o f m 。c h a 面s m 吼i r i l 培m e t h o dw e 砖：s b 瑚r i n g 豫t e5 0 0r ，r n i n ；s t a 【y 缸g6 r n e1 0 i 血；s t i r i n g 畦m e1 5 m i i l ； m o u i d i n gt e m p e 硼加r e5 6 0 。c ；t h eo p t i m 姗p a 瑚地t e 岱o fs j 叩em n h o d 、黼： m u l d i l l gt e m p e m l 岫6 3 0 。c ；l 锄锄g i e6 0 。；s i o p el e r 曜；i ho 5 7 0 n l ；卿吨t i m e 5 m i n ： 5 1 1 1 ef i l r t l l e rh o t 啪l dp m c e s ss h o v 嘴d ：a z 9 l d 柚d a z 3 l bs 锄i - l i dr e h o r o n c 硎n gs 试ph a v eab i gp k ；t i c 吼1 1 l ec o l dt o t a ld e f - 0 m l 砒i o nw 弱2 8 o f a z 9 l d t h e h o tt o t a ld e f o l m a t i w 舔4 7 o f a z 9 1 d 1 kb o tt o t a ld e f _ 0 m l a t i w 勰5 7 o f a z 3 i b 6 nw 鹬s h o w nt 量i a th e a t 订e a 衄e mp i _ o c e 船c 锄i r n p v et h es 打u c t i i r ea n d p r o p e r t yo fs e r n i - 嘲i dm a 鲷e s i 吼r e h o l l _ c a 鲥n gs t f i p s t h c 托 c 衄c o fh e a t e a n n e n tw 髂f i w h 髓t h 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t 、j v i l li l l c 瑚a g a i l l ，b u tp r i m a r y 口m g 鲫i n h 盯d i 圮鼯i sn d y 岫c l l 乏m g 缸 7 t h es i i n u i 撕懿p e r i m e n to f 删l l ( i n gs l u r r y dc a s t i l l gw e c a 戚c do u ti n 唧u 研b y t h c 矗n i t ee l e 础m tm e t b o d c o u p l c dn u m e r i c a ls i i n t i l a t i o f n o w 趾d h e 越i ni t i e o r o l l c 舔曲gf o r m i l i dm a g n e s i u m a i l o y sl l s e db ys l o p cw 弱 m s e a i c h e d t h ei l l 皿u e n c eo f t l l ed i f f b 啪ts i o p ep 甜卸1 e t e 培( p o 耐n gt e m p e 伯：t i l r ；e 、 l 鼬g mo f s l o p e 、l 锄柚g l e ) t h en o wa l l dh e a l 蹦do fs e 】【n i 一l i dm a g s i 啪a l l o y i s 锄n l y 观d i i e 缸 i e l dm m l e r ! i c a l 鲕训a t i o no f r o l l c 础n ga 嫩w 嬲耻c h e dt o l o t h e 唧临n 眦啪i l i d i n gt e m p e 翻t i l 犯w 鹊d e c i d e db yt h eo p t i m 啪s o l i d i f i c a 蛞o np o i n t ， a n do b t a i l ll h e0 l ，t i m 岫p 哦吼e t e 俗o f s l o p e ：脚u l d i l 【l gt e m 讲髓t l l 陀6 3 0 c ，l 缃 a n d e 6 0 0 ，s l0 _ p e 蝌o 5 7 嘶，s t a ) ，主l l g t i m e 5 m h k e yw o r d s ：m a 驴髂i 啪a l l o y ；s 锄i 一i i d ；r e h o i o i l c a s t i n g ；s i l n u l 撕o n ；h e 越 1 女目i t m c n t v i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌土学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：琴畏芟签字日期：办”7 年月蹭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 及夏 导师签名( 手写)础妒修 签字门期：z 司年月月 签字日期：年 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：南昌大学机电学院 通讯地址：南昌大学机电学院 电话：13 7 5 5 6 0 4 8 3 7 邮编：3 3 0 0 3 1 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 镁及镁合金概述 镁是地壳中储量最丰富的元素之一，储量在金属之中居第八位。m g 是密排 六方晶格，晶轴比c a - 1 6 2 3 ，与密捧系数1 6 3 3 很接近，无同素异晶转变。 这种晶体结构滑移系少，是镁合金加工性能差的原因之一。镁的弹性模量 e = 4 5 g p a ，切变模量k - 1 7 g p a ，比弹性模量e p = 2 5 g p a m y g ，均小于纯铝( 7 1 g p a ， 2 6 g p a ，2 7 g p 口硎3 ，g ) 。常温时，塑性变形限于基面 0 0 0 1 的滑移及锥 面 1 0 - 2j ( 1 0 t l 孪生，塑性变形能力很低，在产生一般的形状变化时，镁晶 体只有三个几何滑移系和两个独立滑移系“1 。但在1 5 0 2 0 0 。c 以上还可以开动棱 柱面 l o - o ) 和棱锥面 1 0 t 1 参与滑移，从而塑性可以得到改善。 镁合金的密度只有1 8 9 c m 3 左右，比铝合金轻3 6 ，比锌合金轻7 3 ，比钢 轻7 7 ，是目前工程应用中质量最轻的金属材料。镁合金比强度明显高于铝合金 和钢，略低于比强度最高的纤维增强材料；比刚度则与铝合金和钢相当但远高 于纤维增强材料嘲。镁的标准电位为一2 3 6 3 v ，是负电性很强的金属，其耐蚀性 很差。镁合金在材料制造、加工成型和产品使用过程中都存在被氧化的闯题， 因而它的应用受到很大的限制，其优越性得不到发挥。2 0 世纪9 0 年代以后，随 着冶炼技术的提高和先进成型技术的出现以及制造成本的降低，镁合金材料才 得到了实际应用，不仅在航天航空，而且在汽车工业、电子信息、民用家电等 领域均己得到广泛的应用，并且具有广阔的应用前景和开发潜力伽。 2 0 0 4 年我国镁产量4 5 万吨，同比增长2 4 2 6 。2 0 0 4 年镁产量是1 9 9 5 年的 4 5 3 倍，年均递增速度为1 8 2 8 ，是近l o 年我国有色金属增长最快的品种。 我国镁产量连续5 年居世界第l 位。 1 1 1 镁合金的应用 镁合金的应用范围相当广泛，尤其在汽车工业方面，如变速箱，曲轴箱和 车轮，已经使用了这种金属，并且预计将来还要发展，例如大型八缸福特发动 机的进气支管，如果重达2 1 k g 的铁铸件改换为镁合金铸件，重量只有5 2 k g 。 由于重量的减轻，耗油量减少，必将取得巨大的经济效益，德国大众汽车公司 第l 章绪论 生产的汽车基本都是使用镁合金的变速箱。 电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金应用领域。由于数 字化技术的发展，各类数字化电子产品不断出现，电子器件高度集成化和小型 化，出现了大量便携式电子器材，如手提电话、便携式电脑和小型摄录像机等。 电子工业中对镁合金的增长需求缘于镁合金在减轻重量、大的刚度和具有良好 的薄壁铸造性能等方面的优点；同时，其热导性好、热稳性高、电磁屏蔽特性 好、阻尼性能好和可回收性等镁材料特性，这也是电子行业将目光投向镁合金 的重要原因。 1 1 2 镁合金板材加工的研究现状 镁合金板材的加工，如挤压、轧制和模压，一般在3 0 0 5 0 0 。c 进行。对于 镁合金板材的传统加工工艺如挤压、轧制等技术在五十年代已得到很多的研究， 现在已经有比较成熟的产品生产工艺规范例如，镁合金挤压的常规生产工艺 流程“1 ，为：铸锭加热一一次挤压一切取中间坯料一加热一再次挤压一人工时效 一拉伸( 辊式) 矫直一剪切一检查一氧化上色一成品包装入库等。镁合金薄板的 常规生产工艺包含热轧、粗轧、中轧和精轧等工序，主要工艺流程为8 ) ：铸锭洗 面一铸锭均匀化一加热一热轧一温整( 剪切，矫直) 一板坯剪切下料一板坯加热 一粗轧一酸洗一加热一中轧一中断或下料一精轧一成品退火一精整( 剪切。矫 直) 一氧化上色一成品涂油、包装入库等。 因为现有的压铸和半固态铸造方法生产的镁合金存在表面质量、内部微气 孔与薄壁的问题，因此利用镁合金板材的压力成形或冲压加工可能是解决现有 工艺问题的新方法。在汽车车体中，金属板部件占了汽车总重的2 5 ，因而若 能采用镁合金板材，则具有很大的减重潜力。现在，日本、德国的一些学者已 进行了一些镁合金板材冲压成形的研究。例如，n a o k i 伽等研究了退火温度的影 响，认为4 0 0 。c 退火后对于a z 3 l 合金板材变形有利。j u n i c h ii 【a n e k 0 “1 等研究 了织构对a z 3 l 合金板材成形性的影响，发现a z 3 1 板材性能的各向异性随温度 提高而降低，2 0 0 。c 时织构硬化消失，该合金板材具有较好的杯突深度值。 s h u h e i 跚等研究表明，提高温度可提高a z 3 1 合金板材的冲压( 拉深) 能力，2 0 0 c 对冲压( 拉深) 能力已较好，最大拉深比可达3 o 。拉伸延伸率从室温的1 0 提 高到8 0 一9 0 。d o e g e m 等研究表明，a z 3 l b 合金板材( 厚l 咖) 在5 0 c 即有可能 实现一定程度的冲压成形( 拉深比b0 = 1 4 5 ，深度：3 0 姗，而在这个拉深比下， 2 第1 章绪论 a z 6 l b 、m l 合金板材冲压会产生开裂) 。在2 0 0 4 c 一2 5 0 c ，a z 3 l b 、a z 6 1 b 和m 1 合金板材都已具有较好的冲压成形能力，a z 3 1 b 合金板材的最大拉深比 b 。产2 5 2 ，而a z 6 1 b 和m 1 合金板材的最大拉深比b 。= 2 2 0 2 2 5 。文献 1 0 研究表明，热轧镁合金薄板在高温下具有超塑性。这些研究显示出镁合金板材 将具有广阔的应用情景。 至于镁合金成品板材双辊连铸连轧的研究，澳大利亚c s i r 0 联邦科学与工 业研究组织( c o 啪n w e a l t hs c i e n t i f i ci n d u s t r i a lr e s e a r c h0 r g a n i z a t i o n ) 工业技术研究院( i n s t i t u t eo fi n d u s t r i a lt e c h n 0 1 0 9 i e s ) 的科学家公布的论 文详述了用双辊连铸连轧新技术生产镁合金成品板材的结果“”1 。a z 3 l 、a z 6 l 、 a z 9 1 镁合金在电炉内熔化后，喂入可转动双辊之间的入口装置随后被轧制成镁 合金板。和传统铸坯轧制工艺相比，通过双辊连铸连轧技术生产的镁板，显微 组织均匀、细小，夹杂物少而且分布很弥散。由于微观组织的改善，板材的力 学性能大大提高。 在日本，国立小山工业高等专门学校的h t a r i 等人正在研究半固态镁合 金双辊铸轧技术，并取得了一定的进展“霹。通过大量的试验研究得出一些参数 之间的相互关系。例如在加工3 l i 衄r 4 硼厚度板带时的辊速为2 0 辨，m i n 为宜，并 且还发现了铸轧出的镁扳带具有很强的塑性加工能力，为此项技术的后续研究 奠定了基础。 此外，在英国曼彻斯特大学科学技术学院的k d a v e y 在半固态技术研究方 面也取得了一些成绩1 1 2 双辊连续铸轧工艺 连续铸轧技术是现代材料工业作为取代模铸工艺的一种成熟工艺，取消了 模铸和初轧工序，已经并将继续为各国带来巨大的经济效益。但在材料加工成 形中采用传统的连续铸轧工艺仍然需要较大的能源消耗和设备投资，这主要是 因为其生产流程长，材料在连续铸轧成坯料后，多道次的中问工序必然造成较 大的能源消耗和设备投资。8 0 年代末，薄板坯连续铸轧技术开始应用于工业生 产，解决了传统连续铸轧工艺存在的部分问题。与传统连续铸轧工艺相比，薄 板坯连续铸轧技术进一步取消了热轧的加热和粗轧工序，使生产流程进一步缩 短，设备投资和能源消耗相应减小。但在能源危机日益加剧的当今世界，为了 第1 章绪论 进一步减少能源消耗和提高钢铁产品的质量，对材料的加工成形技术提出了更 高的要求。解决这个问题的一种有吸引力的方法是开发直接浇铸出形状尺寸及 质量尽可能接近最终产品的新技术，这就是八十年代兴起的材料近终形铸造技 术( n e a rn e ts h a p ec a s t i n gt e c h n o l o g y ) 。该技术的开发成功，可将铸造、轧 制、甚至热处理串为一体，大副度减少中间工序，甚至取消热轧工序，直接为 冷轧供坯，从而带来巨大的经济效益和社会效益。 1 2 1 薄带连续铸轧技术概述 薄带连续铸轧技术作为冶金及材料研究领域内的一项前沿技术，是近终形 铸造技术的一个主要内容。采用这种技术，材料能够从液体直接铸成厚为卜1 0 啪 的薄带，它的开发成功必将改变传统冶金工业中薄型材料的生产，从而为冶金 工业带来革命性的变化。传统的薄型材料一般采用板坯连铸法，在生产中需要 经过多道次热轧、反复冷轧和退火才能得到最终成品这些多道次的复杂的中 间工序必然带来能源消耗及设备投资较大、生产周期长、劳动强度大、产品成 本高等问题。与传统的板坯连铸法相比，薄带连续铸轧技术的优势体现在： 省略和简化了工序( 如热轧) ，从而大量地节约能源消耗。据川崎公司报道“”： 薄带钢的能源消耗为1 2 6 1 0 8 ，而连铸坯热装轧制的能源消耗为 1 5 5 1 0 9 j f ，二者相差一个数量级；大大减低设备、基建投资和生产成本。 若将钢锭轧到冷轧带的成本计为1 0 0 ，那么薄板坯连铸至冷轧带的成本只有 5 5 ，而簿带坯至冷轧带的成本仅为1 2 ，与厚度为2 舢的热轧带钢相比，吨 钢成本预计可降低约3 0 “”。此外，据韩国浦项公司估计“7 1 ，生产同种产品， 薄带连续铸轧技术的投资是传统投资的5 0 ，操作费用约降低2 0 3 0 ：可 以生产难以轧制的材科“嘲。以往认为不能轧制的铸铁，浇铸成卜2 舢厚的板坯， 然后再用小压下量进行轧制，可以很容易轧制成铸铁薄带。对于难轧制的不锈 钢( 如s u s 3 0 9 等) 浇铸成1 2 呻厚的薄带后，再通过冷轧，也可以进行无缺陷 轧制。对于过去不能轧制的含s i 4 5 5 5 的硅钢，通过薄带连续铸轧技术也 能生产电磁性能良好的薄带；研制具有特殊性能的新材料嘶2 ”。利用薄带的快 速凝固效应( 冷却速度 1 0 “c j ) 可以生产出非晶态金属，扩大合金元素的固溶 度，细化组织和析出物，得到具有特殊性能的新材料。 4 第1 章绪论 1 2 2 薄带连续铸轧技术的发展历史 早在1 8 5 6 年英国的b e s s 伽e r 陆1 就首先尝试采用双辊技术进行薄钢带的直接 铸造，并于次年获得这一技术的专利。此后在本世纪，原苏联e a h o b 和德国的 d u t e r l g 嘲对这一技术进行了进一步的研究，并先后获得专利。2 0 年代，h a z e l e t t 在前人工作的基础上开发了许多金属带式连续铸轧机。 7 0 年代前后，英国的s i n g e r 即刎在粉末冶金工艺的基础上发展了一种集金 属液雾化、沉积凝固和轧制为一体的金属带制造工艺，称为喷射铸造( s p r a y c a s t i n g ) 这种工艺很快被用来商业化生产金属铝基复合材料。但在钢带的生 产上仍然存在其它的问题。8 0 年代中期，美国d r e x e l 大学开始就钢带的喷射铸 造进行比较系统的研究，并在试验室成功的生产出高速钢带。进入8 0 年代后， 由于能源危机加剧，加上快速凝固技术的发展，薄带连续铸轧技术引起了国际 上的广泛关注和高度重视。世界上几乎所有大的钢铁企业和一些知名院校( 如麻 省理工学院、牛津大学等) 纷纷开设项目展开对这一技术的研究，我国也于8 0 年代中期展开对薄带连续铸轧技术的研究。可以说8 0 年代是薄带连续铸轧技术 迅猛发展的十年，各种铸机和工艺相继问世，取得了不少的成果，但总的来说 仍未走出试验室和试验工厂。 自9 0 年代起，随着对薄带连续铸轧技术研究的不断深入和国际间合作的广 泛展开，薄带连续铸轧技术取得了突破性进展，到目前已能生产出厚l o 唧以下 的薄钢带，宽度最高可达1 9 0 0 哪。以1 9 9 2 年在美国的阿路德姆公司投产的首 条工业规模单辊薄带连续铸轧机生产线为标志，说明薄带连续铸轧技术已逐步 进入工业化应用阶段。相信随着研究的进一步深入，工艺及相关问题的逐步解 决，薄带连续铸轧技术的商业化应用将指日可待。 1 2 3 双辊薄带连续铸轧技术的研究现状 在薄带连续铸轧技术的众多工艺方案中，被研究得最多、进展最快，被认 为最有发展前途的当属双辊薄带连续铸轧技术哺一。该技术在生产1 1 0 哪厚的 薄钢带方面具有独特的优越性。其工艺原理是将金属液注入一对反向旋转且内 部通冷却水的轧辊之间，使金属液在二辊间凝固形成薄带。双辊铸机依二辊辊 径的不同分为同径双辊铸机和异径双辊铸机，二辊的布置方式有水平式、垂直 式和倾斜式二种( 如图1 1 ) ，其中尤以同径双辊铸机发展最快，已接近工业规模 生产的水平，为多数研究单位采用。 5 第l 章绪论 叩龊晤誉 d - 鄹径- 术乎式婚礼b 目话，博斜或许枫 厶同托攀聋戒铸帆 d 异径鞠斜斌诗机 图1 1 不同类型的双辊铸轧机 目前国内外对双辊薄带连续铸轧技术的研究主要集中在铸机及工艺的研 究，薄带材料、组织和性能的研究，数学模型建立及应用研究三方面。 1 2 4 铸机和工艺的研究现状 从1 8 4 6 年英国的b e s s e m e r 首次偿试采用双辊技术直接铸造钢带以来，在最 初的一百多年里，由于制造技术和控制技术等相关技术不足，过程控制较为困 难，产品质量极差，使得这项技术基本上处于停滞状态。直到1 9 5 4 年美国的 h u n t e r 工程公司才制造出第一台双辊连续铸轧机，并用于铝合金薄板的商业 生产，但在制造钢带方面仍存在同样的问题。经过近十多年的发展，一些双辊 铸机已进入工业中试阶段。估计不久就可能实现工业规模生产 在对同径双辊薄带连续铸轧技术的开发研究方面，法国、日本、韩国等国家 走在了前面。 法国的于齐诺尔萨西洛尔公司与德国的蒂森公司合作，于1 9 9 1 年建成了 一台工业规模的双辊铸机并投入使用。轧辊材质为钢质辊轴+ 铜合金或镀镍的铜 合金辊套，采用融熔石英作为侧封材料，据称该工艺适合一切钢种。“。到目前 已能生产厚l 6 哪，宽8 6 5 咖的不锈钢、碳钢带，铸速最高可达1 0 0 i i i m i n ， 卷重为2 5 t 。制取的薄钢带稍经冷轧后，其机械性能与用传统工艺生产的钢带相 似，有些钢带已被用作焊接管和厨房水槽等部件。现在他们正在建造一台辊宽 可达1 3 3 0 舢的工业性双辊铸机，预计该套装备的年带钢生产能力为3 5 万4 0 万t ，并拟加强对电工钢、低碳和中碳的非合金钢以及铁基合金材料的双辊薄带 开发恤捌。 日本的新日铁与三菱重工从1 9 8 5 年合作开发双辊薄带连续铸轧技术以来， 到目前已建成了较为完善的自动控制系统队嘲。轧辊材质为不锈钢辊轴+ 铜合金 辊套( 辊套上镀铜镍保护层) ，以保证轧辊被钢水加热时具有较小的热变形，对 6 第1 章绪论 循环的热作用具有良好的抗疲劳能力和稳定的热应力状态，使钢液均匀的凝固。 韩国浦项钢铁公司与英国戴维公司合作。从1 9 8 9 年开始双辊薄带连续铸轧 试验，并于1 9 9 1 年建成了一台1 t 规模的双辊试验铸机。在铸造过稃中通过采 取钢水净化技术和防止钢液氧化来防止钢液中非金属夹杂物和有害气体含量的 增多，使钢带具有良好的表面和内部质量。此外，还通过改进水口和侧封的设 计，以保证水口和侧封具有合适的温度来防止渣壳的产生。生产出来的不锈钢 带厚度为2 3 咖，宽度为3 5 0 咖，铸速可达5 0 n l m i n ，带钢的焊接性能和深冲 性能至少与传统一工艺相当嘲1 。目前他们正在建造一台辊宽为1 3 0 0 啦，可生产 带钢厚度为2 6 咖的双辊式工业性试验铸机。 澳大利亚的b h p 公司与日本的i h i 公司合作，从1 9 8 5 年开始双辊薄带连续 铸轧试验，于1 9 9 4 年建成一台可生产厚度为2 哪，宽度为1 9 0 0 咖钢带的中试双 辊铸机。这是目前世界上建成的最宽的双辊薄带连续铸轧机，主要用于浇铸不 锈钢和低碳钢。与薄板坯连铸连轧相比，这条双辊薄带连续铸轧生产线的长度 缩短了4 5 6 7 ，单位投资减少了5 0 口订。到目前他们已实现1 8 t 卷重的目标， 现在正向2 5 t 卷重的目标迈进。 国内对于双辊薄 连续铸轧技术的开发研究始于8 0 年代中期。到目前主要 集中在上海钢研所，东北大学、重庆大学三家。其中上海钢研所在铸机设备和 不锈钢双辊薄带连续铸轧方面进行了较多研究，铸机类型为同径双辊式嘲。1 。东 北大学采用异径双辊铸机试验了高速钢、硅钢、不锈钢带的直接铸造，制取的 薄带厚度为l 5 咖，宽度为2 5 0 咖”。重庆大学则采用同径双辊铸机对高速钢、 不锈钢、铝合金等多种材料薄带进行了研究，制取的薄带厚度为1 5 5 哪，宽 度为1 5 0 嘲一。但总的说来，这几家单位的研究均还处于试验室阶段。 虽然在近1 0 多年里对双辊铸机和工艺的研究取得了许多进展，但要达到工 业规模生产的要求，进入商业化应用阶段，还有许多问题需要解决：薄带质 量较差、成品率低。目前双辊薄带存在的主要质量缺陷有裂纹、冷隔、边缘缺 损、夹渣、偏析等m 蚓。尤其表面裂纹是制约双辊薄带连续铸轧技术不能早日实 现工业化最主要的质量缺陷；薄带厚度不均匀。双辊薄带的厚度目前在5 一 1 5 之间波动。非常不利于冷轧的进行；实用铸速低，生产率低，难以满足 工业化大生产的要求；薄带宽度较小。虽然目前已能生出1 0 0 0 1 3 0 0 唧宽的 薄带。但如果想与热轧带材相抗衡，薄带的宽度至少应达到2 0 0 0 唧以上： 侧封不理想。侧封系统是双辊薄带连续铸轧技术的一个重要组成部分，目前因 7 第l 章绪论 侧封而表现出来的问题有：由于侧封多是采用石英类、氧化铝等耐热材料，故 成本高、寿命低。此外由于侧封的绝热性差，使带宽方向温度分布不均匀，从 而导致薄带沿带宽方向质量不均匀，严重时其至使侧封附近的融熔金属先凝固 而卡辊。侧封不严导致熔融金属流入侧封坝与辊子端面之间的间隙。使薄带边 缘产生飞边、毛刺或被撕裂，造成边缘缺损；钢液的氧化问题。由于在铸造 过程中钢液极易氧化，造成夹杂物和有害气体含量增多，损害薄带的表面和内 部质量，因此必须采用保护性气体；钢液的注入系统及铸造过程的控制问题。 目前的钢液注入系统还不适应大规模工业生产的要求，须进一步加以改进，此 外还需采用先进的控制技术以保证铸造过程的稳定性、连续性。 1 2 5 薄带材料、组织和性能的研究现状 双辊薄带凝固属亚快速凝固过程( 冷却速度约为1 0 2 。c ，s ) 它既不同于凝固 速率较慢的常规铸造过程，也不同于急冷快速凝固，这就造成其凝固组织和性 能自有其不同之处。美国的s h i a n g 等对双辊低碳钢薄带的铸态组织和冷轧后 的热处理组织进行的研究表明，由于极快的冷却速度。薄带的枝晶组织较细，